fino ad un valore massimo che `e di circa 80 Hz [35]. A partire da queste osservazioni, sono stati prodotti una serie di lavori di carattere teorico che, attraverso simulazioni di reti estese al calcolatore o analisi teoriche su modelli minimali di due sole cellule accoppiate, hanno cercato di riprodurre questi importanti risultati sperimentali [36, 37, 38, 39, 40]. Tali stu- di hanno effettivamente dimostrato che una popolazione di interneuroni inibitori accoppiati genera, per opportuni valori dei parametri di controllo, regimi dinamici di sincronizzazione, la cui frequenza dipende dalle caratteristiche della corrente di stimolazione e dell’interazione sinaptica inibitoria. Tuttavia gli stessi studi hanno messo in evidenza che in presenza anche di lievi eterogeneit`a tra gli elementi della rete (ad es. frequenze di firing lievemente diverse), la coerenza dell’attivit`a elettrica diminuisce drasticamente. Comunque, recenti lavori sper- imentali [44, 45, 46] hanno mostrato che gli interneuroni corticali non comunicano soltanto attraverso sinapsi inibitorie, ma anche con sinapsi elettriche (vedi paragrafo 1.4). Tale ac- coppiamento aggiuntivo tra interneuroni inibitori, si ritiene che possa favorire l’instaurarsi di regimi dinamici di sincronia nella rete sia in presenza che in assenza di eterogeneit`a.
4.3
Sinapsi elettrica e sincronizzazione degli interneuroni
Alcuni dei lavori sperimentali pi`u rilevanti concernenti il ruolo delle sinapsi elettriche nei meccanismi di sincronizzazione in reti di interneuroni inibitori, si devono a due gruppi di studiosi: M. Galarreta e S. Hestrin (G-H) e J. Gibson, M. Beierlein, B. Connors (G-B-C)[44, 45]. I loro studi hanno dimostrato che nella corteccia somatosensoriale (che `e l’area corticale deputata a svolgere l’analisi iniziale delle informazioni sensoriali) esistono popolazioni di interneuroni inibitori che interagiscono tra loro anche attraverso sinapsi elettriche. I due gruppi hanno caratterizzato le principali propriet`a delle sinapsi elettriche tra interneuroni e hanno successivamente studiato il ruolo che questo tipo di interazione pu`o svolgere nel determinare l’insorgenza di regimi di sincronia in una rete.
Il gruppo di G-H ha potuto rilevare la presenza di sinapsi elettriche tra interneuroni inibitori FS nel V strato della corteccia somatosensoriale (figura 4.7). Gli interneuroni FS rispondono a gradini di corrente sopra-soglia con treni di potenziali d’azione piuttosto stretti (≈ 0.35ms a met`a altezza), una breve e profonda iperpolarizzazione postuma (≈ 25mV ), una frequenza di scarica elevata (che pu`o raggiungere anche i 300 Hz) e un basso adattamento in frequenza. G-H hanno dimostrato che in una popolazione eterogenea di neuroni del V strato (cellule piramidali, interneuroni FS, interneuroni non-FS, cellule gliali) l’accoppiamento elet- trico `e una caratteristica quasi esclusiva delle coppie FS-FS, e la frequenza di accoppiamento `
e di circa il 66% (se la distanza tra i corpi cellulari `e minore di 80µm). Inoltre, il coupling ratio (definito come il rapporto tra l’ampiezza della differenza di potenziale indotta nella cellula non stimolata e l’ampiezza di quella nella cellula stimolata) `e di circa il 6.4%. Infine, il valore della conduttanza dell’accoppiamento elettrico `e 0.66 ± 0.17 nS ed `e indipendente dal valore della differenza di potenziale tra le membrane delle due cellule (la conduttanza `
e detta in tal caso non-rettificante). L’efficacia della trasmissione elettrica dipende, poi, dalla frequenza: se si stimola un neurone FS con una corrente sinusoidale, la risposta nella cellula accoppiata mostra un coupling ratio che decresce al crescere della frequenza di sti-
Figura 4.7: Accoppiamento elettrico tra interneuroni FS. Nel pannello (a) `e mostrata una immagine di due interneuroni FS e il loro caratteristico pattern di scarica; nel pannello (b) sono riportati i potenziali di membrana dei due interneuroni FS quando si inietta corrente sotto-soglia in una delle due cellule. La stimolazione di una delle due cellule (depolarizzante o iperpolarizzante) determina sempre una risposta nella cellula post-sinaptica [46].
molazione (figura 4.8). Questo risultato implica che i potenziali d’azione (che hanno grosse componenti ad alta frequenza) vengono trasmessi dalla sinapsi elettrica con una efficacia bassa se paragonata a quella dei potenziali sotto-soglia.
Dopo aver caratterizzato le propriet`a delle sinapsi elettriche tra interneuroni inibitori FS, i due studiosi hanno cercato di capire se l’accoppiamento elettrico tra queste cellule poteva favorire o meno la generazione di potenziali d’azione sincronizzati. Se una coppia di interneuroni FS `e accoppiata tramite una sinapsi elettrica, uno spike nella cellula pre- sinaptica viene trasmesso nella cellula post-sinaptica in forma bifasica (figura 4.9, A). Tale risposta consiste in una piccola e breve depolarizzazione iniziale, seguita da una pi`u lenta e ampia fase di iperpolarizzazione. Il picco depolarizzante corrisponde alla trasmissione elet- trica della prima parte del potenziale d’azione (vedi paragrafo 1.3) che, essendo un processo molto veloce, `e caratterizzato da un basso coupling ratio. L’ampia fase finale, invece, ri- flette la pi`u lenta fase di iperpolarizzazione al termine dello spike e pertanto viene trasmessa con coupling ratio pi`u alto. Questo tipo di risposta permane anche quando sono presenti entrambi i tipi di sinapsi tra i due neuroni (figura 4.9, B): in questo caso, per`o, la fase finale della risposta `e data dalla sovrapposizione di due contributi iperpolarizzanti (quello dovuto alla risposta elettrica e quello dovuto alla sinapsi inibitoria). G-H hanno mostrato che questo tipo di risposta favorisce la sincronizzazione in una coppia di interneuroni FS accoppiati soltanto con sinapsi elettrica. Utilizzando dei segnali artificiali, che simulano il bombardamento sinaptico che ogni interneurone FS riceve in condizioni realistiche (in vivo), G-H hanno stimolato una coppia di cellule FS con segnali indipendenti e hanno studiato le loro risposte. In particolare, quantificando il livello di coerenza tra i treni di spikes delle
4.3. SINAPSI ELETTRICA E SINCRONIZZAZIONE DEGLI INTERNEURONI 61
Figura 4.8: Efficacia della trasmissione della sinapsi elettrica in funzione della frequenza. Nel pannello (a) `e mostrata la corrente sinusoidale di stimolazione che viene iniettata in una delle due cellule e la corrispondente risposta del potenziale di membrana in entrambe le cellule. Nel pannello (b) `e mostrato l’andamento del coupling ratio in funzione della frequenza della corrente di stimolazione. Il coupling ratio `e riportato come percentuale del valore ottenuto in DC (6.4%) [46].
due cellule con il cross-correlogramma, essi hanno mostrato che questa quantit`a presentava un picco marcato in corrispondenza del valore 0ms (figura 4.10). Ci`o dimostra inequivoca- bilmente che la presenza della sinapsi elettrica favorisce la sincronizzazione dell’attivit`a di firing delle due cellule.
Il gruppo di G-B-C, invece, ha effettuato indagini sperimentali sulla popolazione degli interneuroni negli strati IV e VI della corteccia somatosensoriale e ha dimostrato che due differenti tipi di interneuroni inibitori, gli interneuroni FS e gli interneuroni LTS, tendono a formare due reti distinte, caratterizzate da un’alta densit`a di accoppiamento elettrico tra i propri elementi (FS-FS, LTS-LTS) e scarsa connettivit`a con cellule di tipo diverso (FS-LTS, FS-AN, LTS-AN, AN= altro tipo di neurone). Il grado di connettivit`a elettrica tra cellule FS `
e di circa il 62% mentre quello tra cellule LTS `e di circa l’85%. La connettivit`a tra LTS e FS `
e invece minore del 10%, mentre non `e stata riscontrata nessuna sinapsi elettrica negli altri casi (FS-AN, LTS-AN, AN-AN). Gli interneuroni LTS individuati da G-B-C rispondono a gradini di corrente sopra-soglia generando treni di potenziali d’azione la cui durata `e maggiore di quella degli FS (≈ 0.55ms contro ≈ 0.35ms), con frequenza massima inferiore a quella degli FS e un adattamento in frequenza pronunciato. Le propriet`a delle sinapsi elettriche tra interneuroni FS misurate da G-B-C sono simili a quelle riportate nel lavoro di G-H. Per quanto riguarda gli inteneuroni LTS, invece, il coupling ratio a bassa frequenza `e di circa il 10% (distanza soma-soma < 50µm), mentre la conduttanza elettrica media misurata nelle coppie LTS-LTS `e di cira 2.1 ± 2.3 nS. Tale conduttanza non ha caratteristiche rettificanti.
Figura 4.9: Accoppiamento elettrico e accoppiamento inibitorio. Uno spike pre-sinaptico induce un IPSP nella cellula post-sinaptica se l’accoppiamento `e soltanto inibitorio (Pannello A, in alto). La risposta `e bifasica nel caso di accoppiamento soltanto elettrico (Pannello A, in basso). In presenza di entrambi i tipi di accoppiamento, la risposta `e data dalla sovrapposizione delle due (Pannello B) [66].
A differenza di G-H, il gruppo di G-B-C ha effettuato le misure su preparati sperimentali in cui erano state preservate le connessioni tra i neuroni del talamo e quelli della corteccia cerebrale. Ci`o ha permesso di osservare che i due tipi di interneurone rispondono in modo diverso agli stimoli eccitatori provenienti dal talamo. In particolare, inducendo la gener- azione di potenziali d’azione nei neuroni talamici, si misurava una risposta eccitatoria media (EPSP) molto pi`u intensa nei neuroni FS (≈ 4.3mV ) che negli LTS (≈ 0.8mV ). Dato che il talamo `e la struttura cerebrale da cui transita quasi tutta l’informazione sensoriale che ar- riva nella corteccia per essere elaborata, questi risultati suggeriscono che in questo processo i ruoli funzionali delle due popolazioni di interneuroni (FS e LTS) sono distinti (e ancora non noti). Infine, G-B-C hanno anche studiato le propriet`a di sincronizzazione di queste due classi di interneuroni. Essi hanno stimolato un interneurone FS con una corrente oscillante sotto-soglia (0.5 − 100 Hz), mentre un secondo interneurone FS, elettricamente accoppiato al primo, era mantenuto ad un valore di potenziale appena al di sotto della soglia per la generazione di potenziali d’azione. Per un range di frequenze tra 0 − 40 Hz, essi osservavano che la seconda cellula generava occasionalmente potenziali d’azione in fase con la corrente di stimolazione nella prima, in corrispondenza dei picchi depolarizzanti in quest’ultima (figu- ra 4.11, a). Successivamente, essi hanno stimolato con gradini di corrente sopra-soglia due
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Figura 4.10: In una coppia di interneuroni FS la presenza di una sinapsi elettrica favorisce l’e- mergenza di fenomeni di sincronizzazione. Ogni cellula `e stimolata da una corrente artificiale Ii
(i = 1, 2) che simula il bombardamento sinaptico da essa ricevuto in condizioni realistiche. Il livello di sincronia tra i due interneuroni `e quantificato dal cross-correlogramma tra i treni di spikes delle due cellule (918 realizzazioni, bin size = 1ms) [46].
interneuroni elettricamente accoppiati e hanno osservato una forte sincronizzazione tra i potenziali d’azione da loro generati (figura 4.11, b). Risultati simili furono poi ottenuti con gli interneuroni LTS. Sulla base di questi esperimenti essi conclusero, in accordo con G-H, che l’accoppiamento elettrico `e senza dubbio un fattore determinante perch´e si instaurino regimi altamente sincronizzati in reti di interneuroni inibitori, non solo in esperimenti di laboratorio, ma presumibilmente anche durante il normale funzionamento del cervello (in vivo). Nonostante questi due lavori abbiano evidenziato chiaramente che la sinapsi elettrica ha un ruolo di primo piano nel promuovere attivit`a sincrona in reti di interneuroni, l’esatta modalit`a e i meccanismi con cui questa interazione influenza le propriet`a di coerenza di una popolazione neurale non sono ancora sufficientemente chiari. Oltretutto non `e chiaro il ruolo funzionale dei due diversi tipi di sinapsi (elettrica e chimica) nel determinare gli stati di sincronia. Oltre agli studi sperimentali, un aiuto importante per la comprensione dei mecca- nismi d’azione dei due tipi di accoppiamento, nel promuovere fenomeni di sincronizzazione, `
Figura 4.11: Sincronizzazione di interneuroni FS. Pannello a: in uno dei due interneuroni FS accoppiati elettricamente si inietta una corrente sotto-soglia sinusoidale, mentre l’altro `e mantenuto ad un potenziale vicino alla soglia del firing: in corrispondenza dei picchi di depolarizzazione nella prima cellula, vengono generati occasionalmente potenziali d’azione nella cellula accoppiata. Pannello b: entrambe le cellule FS sono stimolate con un gradino di corrente sopra-soglia e i loro treni di spikes mostrano un elevato livello di coerenza, come mostrato dal cross-correlogramma. Risultati analoghi si ottengono per gli interneuroni LTS [45].